[发明专利]一种双数字相机的激光光束质量全参数测量装置及方法

权利要求书

1.一种双数字相机的激光光束质量全参数测量方法，其特征在于，所述测量方法应用于一种双数字相机的激光光束质量全参数测量装置，所述测量装置包括：激光发射器、遮光板、适配光学系统、衰减片、双数字相机全参数测量设备、计算机；

将所述激光发射器、所述适配光学系统、所述衰减片、所述双数字相机全参数测量设备设置在同一水平线上，所述激光发射器、所述适配光学系统、所述衰减片、所述双数字相机全参数测量设备的中心在同一光轴上；

所述双数字相机全参数测量设备包括：平凸透镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一相机、第二相机、光电探头、信号处理器、外触发接口、第一数据接口、第二数据接口、网口、适配电源；

所述激光发射器发射的激光经过所述平凸透镜、所述第一分光棱镜和所述第二分光棱镜到达所述第一相机和所述第二相机的中心；

所述第一相机在所述平凸透镜的焦点前方的离焦面上，和所述第二相机在所述平凸透镜的焦点后方的离焦面上，实现了所述第一相机和所述第二相机的离焦量的大小一致；

所述光电探头设置在所述第一分光棱镜的正下方，实现了经过所述第一分光棱镜的光线进入所述光电探头；

所述计算机设置工作模式，所述计算机用于使第一相机和第二相机拍摄的每张图像都能拍摄到光斑，设置工作模式具体为：

连续激光：所述计算机可以对传递过来的连续激光通过内触发模式控制相机同步采像，即通过计算机所编写的程序中的线程同步控制两个相机进行同步采像步骤；

脉冲激光：所述计算机可以对传过来的脉冲激光通过外触发模式控制相机同步采像；所述计算机也可以对传过来的脉冲激光通过光接口模式控制相机同步采像，即通过光电探头将光信号转换为电信号，通过采集到的电信号波峰波谷的变化规律控制相机同步采像；

所述测量方法包括：

设置所述测量装置的工作模式；

将所述遮光板置于所述激光发射器的后面，采集背景，采集n次；

移走所述遮光板使光斑成像在所述相机的正中心，采集光斑图像；

所述第一相机和所述第二相机同步采集光斑图像数据；

建立重构面图像D₀的复振幅求解的目标函数，具体包括：

采用极大似然估计的计算方法，建立重构图像中的复振幅求解的模型；

在目标函数的建立过程中引入噪声协方差矩阵C_k，

n_k为第k个面的噪声矩阵；

目标函数

z₀位置重构面图像D₀通过初始化振幅A₀和Zernike多项式系数α₀得到复振幅U₀，所述第一相机在所述平凸透镜的焦点前方的离焦面上，所述第二相机在所述平凸透镜的焦点后方的离焦面上，所述第一相机和所述第二相机的离焦量大小一致，通过角谱理论正向传播Δz的距离拟合出第二测量面图像D′₂的复振幅U′₂，通过公式(2)计算得到拟合的光强数据I′₂，所述重构面图像D₀反向传播Δz的距离拟合出第一测量面图像D′₁的复振幅U′₁，通过公式(2)计算得到拟合的光强数据I′₁；

I′＝|U′|² (2)；

根据所述目标函数非线性求解所述重构面图像D₀的复振幅，具体包括：

初始化所述重构面图像D₀的振幅A₀，Zernike表达式的系数a_0i，i＝0...36，迭代次数k值，通光孔径N_c；

其中，位相用公式(3)所示的Zernike表达式表示，所述重构面图像D₀的复振幅U₀如公式(4)所示，所述复振幅U₀通过反向角谱传播Δz的距离拟合出第一测量面图像D′₁的复振幅U′₁，采用公式(2)计算获得所述第一测量面图像D′₁的光强数据I′₁；

将传播模型拟合出来的光强数据I′₁和实际测量光强数据I₁做差得到残差值；

正向角谱传播Δz的距离拟合出第二测量面图像D′₂的复振幅U′₂，通过公式(2)计算所述第二测量面图像D′₂的光强数据I′₂；

将所述光强数据I′₂和实际测量光强数据I₂做差得到残差值；

根据所述残差值得到目标函数，判断所述目标函数值是否≤ε；

如果不满足，通过非线性优化算法BFGS，通过计算搜索方向和步长确定迭代进行的方向和进行距离，增加迭代次数k＝k+1，经迭代算法重新得到振幅A_0k，Zernike系数a_ki，i＝0…36，通过公式(3)计算得到迭代后的位相将位相输入到重构面D₀的复振幅如公式(4)所示对应的参数中，重新参与重构面D₀的波前重构求解模型计算，循环求解模型目标函数的计算过程直到满足条件时，不再继续循环即得到最佳的振幅值A₀，Zernike系数值a_ki，i＝0…36，从而求解出重构面图像D₀的复振幅U₀；

根据所述重构面图像D₀的复振幅计算激光光束质量的全参数。

2.根据权利要求1所述的一种双数字相机的激光光束质量全参数测量方法，其特征在于，所述第一相机和所述第二相机同步采集光斑图像数据具体包括：

激光光束通过所述平凸透镜沿光轴z方向传播，分别被所述第一相机和所述第二相机接收；

在z₁位置所述第一相机采集第一测量面图像D₁的强度数据I₁；

在z₂位置所述第二相机采集第二测量面图像D₂的强度数据I₂，且所述第一相机和所述第二相机同步采集图像。